爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究.pdf

中南大学 博士学位论文 爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性研究 姓名闫长斌 申请学位级别博士 专业岩土工程 指导教师徐国元 20061101 博十学俜论文摘要 摘要 采用钻爆法进行地下岩体工程建设或矿山采掘生产，频繁爆破作 业产生的动荷载，不可避免地对周围岩体产生累积损伤危害，甚至诱 发地下工程岩体产生失稳破坏。爆破损伤作用体现在岩体力学性能劣 化与完整性降低两个方面，必然造成岩体力学参数指标弱化，从而影 响工程稳定性。目前，爆破作用下岩体累积损伤效应及其稳定性缺乏 系统研究，在理论与试验方面均有待进一步探索。现有的岩体力学参 数取值方法没有充分考虑开挖爆破损伤弱化作用，存在明显不足。针 对上述问题，结合国家“十五”科技攻关项目“复杂多空区下强制与 诱导耦合大规模落矿采矿综合技术研究” 2 0 0 3 B A 6 1 2 A ．1 0 2 和中 南大学博士研究生学位论文创新工程项目“复杂关联空区动力失稳机 制及预测预报模型研究” 0 4 0 1 0 9 ，对爆破作用下岩体累积损伤效应 及其稳定性问题进行了系统深入的研究。主要研究内容如下 第一，率先利用声波测试技术，系统研究了多次爆破作用下岩体 损伤累积增长规律。通过1 0 次小药量模拟爆破，采用R S M ．S Y 5 智能 声波测试系统，对厂坝铅锌矿某巷道围岩产生的爆破累积损伤效应进 行了现场试验研究。基于大量的现场实测数据，获得了爆破动载作用 下岩体累积损伤程度、岩体声波速度，与爆破作用次数之间存在的统 计规律。分析了爆心距等因素对岩体爆破累积损伤效应的影响，建立 了爆破累积损伤与爆心距之间的非线性递减关系。 第二，首次发现了重复爆破作用下，随爆破次数增加，岩体爆破 累积损伤程度与声波测试信号波形、主频、能量等频谱参数变化规律 之间的内在联系，进一步揭示了岩体爆破损伤累积增长规律及其失稳 破坏机理。创造性地运用傅立叶变换与小波 包 分析方法，找出了 声波主频、能量及其频带分布随爆破次数增加的变化规律。 第三，基于现场声波测试数据，首次建立了岩体爆破疲劳损伤非 线性累积预测模型和岩体爆破累积损伤扩展模型。应用损伤力学、断 裂动力学理论，系统研究了多次爆破作用下中远区岩体损伤断裂破坏 机理；基于疲劳累积损伤理论，探寻了多次爆破作用下岩体损伤非线 性累积特性及疲劳裂纹扩展规律。 第四，基于爆破作业对岩体质量的损伤弱化效应，对H o e k - B r o w n 经验公式做了进一步改进和完善，提出了爆破损伤作用下岩体力学参 数研僦- - B D R M P B l a s t i n gD a m a g e dP , o c kM e c h a n i c a lP a r a m e t e r s 博士学位论文摘要 法。B D R M P 法充分考虑开挖爆破对岩体的损伤弱化程度，建立了爆 破累积损伤程度、岩体完整程度与岩体力学参数劣化程度之间的定量 关系，可以更好地确定介于破碎岩体和完整岩体之间的岩体力学参 数。运用B D R M P 法研究得到了厂坝铅锌矿岩体力学参数，为进一步 深入开展爆破动荷载作用下地下工程岩体稳定性数值模拟研究和失 稳机理的突变理论分析奠定了有力的基础。 第五，首次系统分析了多次爆破作用诱发地下工程岩体失稳破坏 的临界微扰机制，建立了爆破扰动作用下地下洞室顶板、矩形矿柱失 稳的突变模型，分析了其失稳过程的非线性演化规律，导出了其失稳 的充分和必要力学条件判据。确定了地下洞室项板临界安全厚度，分 析了临界安全厚度及矩形矿柱动力失稳的主要影响因素。 第六，复杂多空区条件下，同时考虑开挖 采 过程和爆破震动 作用对采空区稳定性的影响，利用F L A C 3 D 对复杂地下采空区稳定性 问题进行了系统的三维数值模拟研究。通过对比开挖过程、单次爆破 震动作用和两次爆破震动联合作用三种情况对采空区稳定性的影响 程度，揭示了爆破动荷载作用下复杂采空区失稳破坏机理以及爆破累 积损伤效应对采空区稳定性的影响特征。 本文立足于学科前沿，紧密结合工程实践，综合运用数学、力学 方法、数值计算工具和先进的试验手段，对爆破作用下岩体累积损伤 效应及其稳定性问题进行了深入的研究。为系统研究频繁爆破作业条 件下采空区、地下厂房、隧道、边坡等岩体工程稳定性问题奠定了理 论和技术基础，具有较为重要的理论意义和工程应用价值。 关键词爆破作用，岩体累积损伤效应，声波测试，频谱分析，岩体 力学参数确定，失稳，突变模型，稳定性，数值模拟 Ⅱ D O C T O R A LD I S S E R T A T I O N A B S T R A C T A B S T R A C T T h ed y n a m i cl o a d i n g sg e n e r a t e db yr e c u r r e n tb l a s t i n go p e r a t i o n s w i l li n e v i t a b l yb r i n gc u m u l a t i v ed a m a g et os u r r o u n d i n gr o c km a s sa n d e v e ni n d u c er o c km a s so fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gt oi n s t a b i l i t y , w h e n t h ed r i l l i n ga n db l a s t i n gm e t h o d sa r eu s e di nt h eu n d e r g r o u n dr o c km a s s c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga n dt h ee x c a v a t i n gp r o d u c t i o ni nm i n e s ．n e b l a s t i n gd a m a g ei se m b o d i e d i nt w oa s p e c t s ，w h i c ha r ew e a k n e s so fr o c k m a s sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e g r e s s i o no fr o c km a s si n t e g r a l i t y ．S o i ti Sc e r t a i nt h a tt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s sw i l lb ew e a k e n a n ds t a b i l i t yo fr o c km a s se n g i n e e r i n gw i l lb ea f f e c t e da c c o r d i n g l y ．A t p r e s e n t , r e s e a r c h e so nc u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t sa n ds t a b i l i t yo fr o c k m a s su n d e r b l a s t i n gl o a d i n g sl a c ks y s t e m i cs t u d y ．I ti sa w a i t e df o rm o r e r e s e a r c h e si nt h e o r ya n de x p e r i m e n tf u r t h e r ．T h ew e a k e ne f f e c t si n d u c e d b ye x c a v a t i o na n db l a s t i n gC a nn o tb ec o n s i d e r e ds u f f i c i e n t l yi ne x i s t i n g m e t h o d st oc o n f i r mm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s s ．s ot h e r ea r e o b v i o u ss h o r t a g e s ．A i m i n ga ta b o v eq u e s t i o n s ，t h ea u t h o rs t u d i e dd e e p l y a n ds y s t e m a t i c a l l yo nt h ec u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t sa n di t ss t a b i l i t yo f r o c km a s su n d e rb l a s t i n gl o a d i n g s ，c o m b i n i n gw i t ht h et w op r o j e c t s t h e s p e c i a lp e r f o r m a n c eo ft h el O t hf i v e y e a rn a t i o n a lk e yt e c h n o l o g i e s R Ds u b j e c t ‘S t u d yo ni n t e g r a t e dm i n i n gt e c h n o l o g yo fl a r g e s c a l eo r e a v a l a n c h ew i t hc o u p l i n go ff o r c ea n da b d u c t i o nu n d e rc o m p l i c a t e d m i n e d o u ta r e a s ’ N o ．2 0 0 3 B A 6 1 2 A 一1 0 2 ，a n dt h ei n n o v a t e dp r o j e c to f P H I c a n d i d a t es u p p o r t e db yC e n t r a lS o u t hU I l i v e r s i t y ‘S t u d yo n d y n a m i ci n s t a b i l i t ym e c h a n i s ma n df o r e c a s tm o d e l so fc o m p l i c a t e d c o r r e l a t i v em i n e d o u ta r e a s ’ N o ．0 4 0 1 0 9 ．1 1 l em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a n dr e s u l t si nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s F i r s to f a l l ，t h eg r o w t hl a w so f r o c km a s sc u m u l a t i v ed a m a g eu n d e r b l a s t i n gf o rm a n yt i m e sh a v eb e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l y , t a k e nt h el e a di n u s i n gs o n i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ．T h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t i n s i t uf o rb l a s t i n gc u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t so fs u r r o u n d i n gr o c ka t s o m el a n e w a yi nC h a n g b aL e a d z i n cM i n ew i 吐lR S M - S Y 5i n t e l l i g e n t s o n i cm e a s u r i n gs y s t e m ，t h r o u g hs i m u l a t i n gb l a s t i n gf o rt e nt i m e sw i t h I l l D O C T O R A LD l S S E R T A T I O NA B S T R A C T l i t t l ec h a r g e ．T h es t a t i s t i cl a W Sb e t w e e nb l a s t i n gt i m e sa n dc u m u l a t i v e d a m a g ed e g r e e ，s o n i cv e l o c i t yo f r o c km a s su n d e rb l a s t i n gl o a d i n g sh a v e b e e no b t a i n e db a s e do nal o to f m e a s u r i n gd a t ai ns i t u ．T h ei n f l u e n c e so n r o c km a s sb l a s t i n gc u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t sb r o u g h tb ys o m ef a c t o r s ， s u c ha st h ed i s t a n c ef r o mt h eb l a s t i n gc e n t e r , h a v eb e e na n a l y z e da n dt h e n o n l i n e a rd e g r e s s i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nb l a s t i n gc u m u l a t i v ed a m a g e a n dt h ed i s t a n c ef r o mt h eb l a s t i n gc e n t e rh a sb e e ns e tu p ． S e c o n d l y , t h ei n t e r n a lr e l a t i o n s h i pb e 觚e e nt h eb l a s t i n gc u m u l a t i v e d a m a g ed e g r e eo fr o c km a s sa n dt h ec h a n g el a w so ff r e q u e n c ys p e c t r a l p a r a m e t e r so f s o n i cm e a s u r i n gs i g n a l s ，s u c ha sw a v e f o r m ，k e yf r e q u e n c y a n de n e r g y , w i t hi n c r e a s i n go fb l a s t i n gt i m e su n d e rr e p e t i t i o u sb l a s t i n g h a v eb e e nd i s c o v e r e df o rt h ef i r s tt i m e ．T h ei n c r e a s i n gl a w so fb l a s t i n g d a m a g ec u m u l a t i v ea n di n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fr o c km a s sh a v eb e e n u n c o v e r e df u r t h e r ．1 1 1 ev a r i a t i o nl a w so fk e yf i e q u e n c y , e n e r g ya n di t s d i s t r i b u t i o no fb a n d so fs o n i cs i g n a l sw i t hi n c r e a s i n go fb l a s t i n gt i m e s h a v eb e e nf o u n do u tc r e a t i v e l y , w i t ht h eF o u r i e rt r a n s f o r ma n dt h e w a v e l e t w a v e l e tp a c k e t a n a l y t i c a lm e t h o d s ． T h i r d l y , t h en o n l i n e a rf a t i g u ef o r e c a s tm o d e l sa n dt h ee x t e n s i o n m o d e l so fr o c km a s sb l a s t i n gc u m u l a t i v ed a m a g eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d f o rt h ef i r s tt i m e ，b a s e do nt h ea b u n d a n ts o n i cm e a s u r e m e n td a t a ．T h e d a m a g ea n df r a c t u r em e c h a n i s mo fr o c km a s ss u b j e c t e dt ob l a s t i n g s t r e s sw a v ef o rm a n yt i m e sa tm o d e r a t eo rf a rd i s t a n c eh a sb e e ns t u d i e d s y s t e m i c a l l yb yd a m a g em e c h a n i c sa n df r a c t u r ed y n a m i c st h e o r y ；T h e n o n l i n e a rd a m a g ec u m u l a t i v ec h a r a c t e r so fr o c km a s sa n dt h el a w so f f a t i g u ec r a c k sp r o p a g a t i o nu n d e rb l a s t i n gf o rm a n yt i m e sh a v eb e e n s e a r c h e df o r , b a s e do nt h ec u m u l a t i v ef a t i g u ed a m a g e t h e o r y ． F o u r t h l y , H o c k - B r o w ne x p r e s s i o n sw e r ea m e n d e da n di m p r o v e d f u r t h e ra n dr e s e a r c hm e t h o d so fr o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s d a m a g e db yb l a s t i n g ‘B D R M P B l a s t i n gD a m a g e dR o c kM e c h a n i c a l P a r a m e t e r s ’w e r et a k e nf o r w a r d ，b a s e do nt h ew e a k e ne f f e c t so fr o c k m a s sq u a l i t yc a u s e db yb l a s t i n gd a m a g e ．n em e t h o do fB D R M PC a n t a k ed i s t u r b e da n dw e a l e nd e g r e eo fr o c km a s sc a u s e db yb l a s t i n gi n t o a c c o u n tw e l l ，a n ds e tu pt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pa m o n gb l a s t i n g c u m u l a t i v ed a m a g e ，r o c km a s si n t e g r i t yd e g r e ea n dw e a I 【e nd e g r e eo f I V D O C T O R LD [ S S E R T A T I O N A B S T R A C T 1 r o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ．I tc a r lm a k ec e r t a i nt h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f r o c km a s sb e t w e e nd i s t u r b e da n du n d i s t u r b e db e t t e r ．T h e m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c km a s sa tC h a n g b aL e a d ．z i n cM i n ew e r e o b t a i n e db yB D R ⅣⅢm e t h o d ．w h i c hl a i ds o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h r e ed i m e n s u i o n so fs t a b i l i t ya n da n a l y s i sw i t h c a t a s t r o p h et h e o r yo fi n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g r o c km a s su n d e rb l a s t i n gl o a d i n g ． F i f t h l y , t h em i c r o d i s t u r b a n c em e c h a n i s m su n d e rc r i t i c a lc o n d i t i 0 1 1 o ft h ei n s t a b i l i t yo fr o c km a s si nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi n d u c e db y b l a s t i n gf o rm a n yt i m e sh a v eb e e na n a l y z e ds y s t e m i c a l l yf o rt h ef i r s t t i m e ．n ec a t a s t r o p h em o d e l so fi n s t a b i l i t yo ft h er o o fo fu n d e r g r o u n d c h a m b e r sa n d r e c t a n g l ep i l l a r su n d e rt h eb l a s t i n gd i s t u r b a n c eh a v eb e e n s e tu p ．T h en o n l i n e a re v o l v e m e n tl a w o f i n s t a b i l i t yp r o c e s sh a v eb e e n a n a l y z e da n dt h en e c e s s a r ya n dS U 伍c i e n tm e c h a n i c a lc o n d i t i o n so f i n s t a b i l i t yh a v eb e e nd e r i v e d ．W h a t ’Sm o r e ．c r i t i c a ls a f e 吐1 i c k n e s so ft h e r o o f o fu n d e r g r o u n dc h a m b e r sh a sb e e nc o n f i r m e da n dt h ek e yi n f l u e n c e f a c t o r so fd y n a m i ci n s t a b i l i t yo fc r i t i c a ls a f et h i c k n e s sa n dr e c t a n g l e p i l l a r sh a v eb e e na n a l y z e d ． F i n a l l y , t a k e nt h ei n f l u e n c eo fe x c a v t i o n o rm i n i n g a n db l a s t i n g v i b r a t i o no nt h es t a b i l i t yo fm i n e d ．o u ta r e a si n t oa c c o u n ta tt h es a m e t i m e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h r e ed i m e n s i o n sW a sc a r r i e do u tf o rt h e s t a b i l i t yo fc o m p l i c a t e dm i n e d - o u ta r e a sw i t hF L A C Ⅱ’u n d e rg r o u p m i n e d o u ta r e a s ．T h ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fm i n e d ．o u ta r e a sa n d i n f l u e n c e dc h a r a c t e r so fb l a s t i n gc u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t so nt h e s t a b i l i t yo fm i n e d - o u ta r e a sw e r eu n c o v e r e d ，t h r o u 曲c o n t r a s t i n gt h e i n f l u e n c e dd e g r e eo nt h es t a b i l i t yo fm i n e d ．o u ta r e a so ft h r e ed i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，w h i c hw e r ee x c a v a t i o np r o c e s s ，i n d i v i d u a la c t i o no fo n c e b l a s t i n gv i b r a t i o na n dc o m b i n e da c t i o no f t w i c eb l a s t i n gv i b r a t i o n ． I ns h o r t ，t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e d0 1 1t h ef r o n t a lo f t h es u b j e c ta n dc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c ec l o s e ．n I et h e o r i e s a n dm e t h o d so fm a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o ．a r et o o l sa n da d v a n c e de x p e r i m e n tm e a n s ，a r eu s e di ns t u d y i n gO i l r o c km a s sc u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t sa n di t s s t a b i l i t yu n d e rb l a s t i n g l o a d i n g ．I tf o u n d e dat h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lb a s i sf o rs t u d y i n go n V D O C T O R A LD I S S E R T A T I O NA B S T R A C T t h es t a b i l i t yo fr o c km a s s ，s u c h 够m i n e d o u ta r e a s ，u n d e r g r o u n dp o w e r c h a m b e r s ，t u n n e l sa n ds l o p e s ，u n d e rt h ef r e q u e n tb l a s t i n go p e r a t i o n s s y s t e m i c a l l y ．T h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o ni so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c ea n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e s ． K e yw o r d s b l a s t i n g ，c u m u l a t i v ed a m a g ee f f e c t so fr o c km a s s ，s o n i c m e a s u r e m e n t ，d e t e r m i n a t i o no fr o c km a s sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ， i n s t a b i l i t y , c a t a s 仃o p h em o d e l s ，s t a b i l i t y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名塑耋式 日期 丝互年卫月堡日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名苗望鲨导师签名趣日期旦年旦月竺日 博十学何论文第一章绪论 1 ．1引言 第一章绪论 近几十年来，随着国家经济建设的迅猛发展，各类大型地下岩体工程日渐 增多。例如，已经建成的黄河小浪底水利枢纽、雅砻江二滩水电站、三峡工程 等大型水利水电工程，大瑶山、秦岭铁路与公路隧道、青藏铁路等。我国岩石 力学与工程的科学研究与工程实践，取得了举世瞩目的伟大成就，同时也面临 着空前的机遇和挑战川。在矿山开采、隧道开挖、铁路与公路路堑成形、水利水 电设施建设等各类岩体工程中，钻孔爆破技术得到广泛应用，同时带来了巨大 的经济效益和社会效益[ z 3 。可以预见，在未来几十年内，工程爆破技术仍将在地 下岩体工程旖工方法中发挥优势，并占据主导地位【3 J 。 爆破是利用炸药爆炸时所释放的能量来破坏某种介质或使介质变形从而达 到一定工程或工艺目的的技术。药包在岩体中爆炸时，一部分能量用来破坏介 质达到工程岩体开挖等目的，而大部分能量却以热能、振动波、空气冲击波形 式传递给周围岩体，造成周围岩体或结构的振动和损伤，甚至严重破坏[ 4 - 5 ] 。对 于岩体工程开挖，无论采用何种爆破方式，都不可避免地对预留岩体造成一定 程度的损伤和破坏，从而威胁工程稳定性【6 l 。爆破引起的围岩损伤问题，一直是 爆破工程和岩石力学界关心的中心问题之一r ”。爆破动荷载作用引起的各类岩体 工程损伤、失稳破坏现象屡见不鲜，主要表现在①爆破动荷载作用诱发的边 坡崩塌、滑移等工程灾害[ 8 - 9 ] 。②邻近爆破对地下岩体工程 隧道、厂房、采空 区等 围岩、矿柱造成的损伤与失稳破坏【I 2 1 。③爆破作业造成的地下巷道与 支护结构大变形、塌陷等破坏【”4 4 】。④爆破施工过程中，应力波作用造成的坝 基与岩基损伤以及岩体完整性、稳定性的削弱【”一7 1 。⑤爆破动荷载作用诱发的 岩爆、突水以及瓦斯突出等事故【1 8 - 2 0 ] 。因此，探索爆破作用下岩体产生的损伤 机理，分析岩体动力失稳破坏机制，对促进我国经济建设和国防事业发展具有 重要的理论和现实意义，对岩石动力学理论与爆破安全控制具有推动和完善作 用，己成为爆破工程和岩石力学界亟待解决的重要研究课题之一。 迄今为止，国内外学者在爆破动荷载作用下岩体损伤及其稳定性方面开展 了大量的研究，取得了一系列的丰硕成果。主要体现在以下两个方面 其一，在爆破理论模型研究方面，岩石爆破损伤模型代表了爆破理论模型 的最新研究水平和发展方向【2 “，并在逐步完善中； 其二，在爆破地震效应研究方面，测试技术、信号分析、危害机制以及安 博十学位论文 第一章绪论 全判据等研究均取得了长足进展【2 2 ‘25 1 。例如，爆破地震安全判据中已经考虑频 率和振动持续时间的影响。 然而，由于岩体爆破损伤及其失稳破坏受到多种因素的影响，例如地质因 素 岩体结